DE10207062A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Ermittlung des mittleren Stromverbrauchs eines batteriebetriebenen Gerätes - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Ermittlung des mittleren Stromverbrauchs eines batteriebetriebenen Gerätes

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Abstract

Es wird der mittlere Stromverbrauch eines elektronischen Geräts dadurch ermittelt, dass während eines typischen Betriebsablaufs des Geräts 1 innerhalb einer festgelegten Messzeit T ein Energiespeicher C zwischen einem festgelegten oberen Schwellwert Uso und einem festgelegten unteren Schwellwert Usu mehrmals aufgeladen und über das Gerät 1 entladen wird. Die Anzahl N der in der Messzeit T auftretenden Ladevorgänge wird gezählt und daraus unter Berücksichtigung festgelegter Größen der mittlere Stromverbrauch errechnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des mittleren Stromverbrauches eines mittels einer Energiequelle, insbesondere Batterie oder Akku, betreibbaren elektronischen Gerätes, insbesondere eines von einem Mikrocontroller und/oder Signalprozessor gesteuerten Gerätes. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Zur technischen Beschreibung eines batteriebetriebenen Gerätes, beispielsweise eines Mobilfunkgerätes, soll die mit einer Batterieladung mögliche Betriebsdauer angegeben werden, damit sich der Nutzer ein Bild von der zwischen zwei Batterieladungen möglichen Laufzeit des Gerätes machen kann.
  • In vielen batteriebetriebenen Geräten werden Mikrocontroller und/oder Signalprozessoren eingesetzt. Der Stromverbrauch dieser Geräte ist von der verwendeten Hardware und auch im starken Maße von der verwendeten Software abhängig. Die Stromaufnahme ist vom jeweiligen Betriebszustand des Gerätes und von dem jeweils abgearbeiteten Programmcode abhängig.
  • Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Laufzeit ist, das Gerät mit einer vollgeladenen Batterie einzuschalten und die Zeit zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten des Gerätes zu messen, wobei dieses Ausschalten von selbst erfolgt, wenn die Batterie so weit entladen ist, dass das Gerät nicht mehr zuverlässig arbeiten kann. Diese Zeit ist die Laufzeit des Gerätes. Problematisch dabei ist, dass die Batterie-Laufzeiten sehr lang sein können. Sie liegen im Bereich von Wochen, Monaten oder sogar Jahren. Die Messzeit müsste dementsprechend lang sein. Solch lange Messzeiten sind in der Praxis nicht annehmbar.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die mittlere Stromaufnahme in einem begrenzten Zeitintervall zu messen, in dem die wesentlichen Betriebszustände des Gerätes auftreten. Aus der Nennkapazität der vollgeladenen Batterie und der mittleren Stromaufnahme kann dann die Laufzeit des Gerätes berechnet werden. Nach dem Stand der Technik erfolgt die Strommessung über die an einem ohmschen Widerstand abfallende Spannung, die proportional zum fließenden Strom ist. Für eine digitale Weiterverarbeitung müssen in dem Zeitintervall viele Spannungswerte gemessen werden. Da die Stromaufnahme bei elektronischen Geräten oft schnell mit großer Amplitudendynamik schwankt, ist eine Messung mit geringem Fehler nicht ohne weiteres möglich. Bei Mobiltelefonen beispielsweise schwankt die Stromaufnahme bei typischen Betriebszuständen zwischen etwa 2 mA und 2 A.
  • Verfahren zur Messung des Stromverbrauches eines Gerätes sind in der US 5 528 136, der US 6 291 971, der US 5 869 960 und der EP 1 022 575 beschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, wobei auf einfache Weise auch dann der mittlere Stromverbrauch des Gerätes mit geringem Fehler ermittelt werden kann, wenn die Stromaufnahme des Gerätes in der Zeit schnell und in der Amplitude stark schwankt.
  • Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bezüglich des Verfahrens und bezüglich der Schaltungsanordnung durch den Patentanspruch 6 gelöst.
  • Bei dem beschriebenen Verfahren und der beschriebenen Einrichtung ist ein Messwiderstand, durch den der zu messende Strom fließt, nicht erforderlich und nicht vorgesehen. Innerhalb der festgelegten Messzeit wird ein Energiespeicher mehrmals aufgeladen und über das Gerät entladen. Entsprechend der jeweiligen Stromaufnahme des Gerätes ist die Dauer des Entladevorgangs länger oder kürzer. Der jeweilige Strom ist dabei in eine Zeit konvertiert. Die Anzahl der in der festgelegten Messzeit auftretenden Ladevorgänge wird gezählt und aus dieser Anzahl und den festgelegten Größen wird der mittlere Stromverbrauch errechnet.
  • Damit ist eine sehr genaue Ermittlung der mittleren Stromaufnahme des Gerätes auch bei zeitlich in der Amplitude stark schwankenden Stromaufnahmephasen möglich.
  • Vorzugsweise ist die Messzeit derart festgelegt, dass in ihr die typischen Betriebsabläufe auftreten. Die Messzeit ist dabei wesentlich kürzer als die Laufzeit der Energiequelle, Batterie oder Akku.
  • Der obere Schwellwert und der untere Schwellwert werden derart festgelegt, dass sie in demjenigen Bereich liegen, in dem die Energiequelle geeignet ist, das Gerät zu betreiben. Das Gerät schaltet also beim Erreichen des unteren Schwellwerts noch nicht ab.
  • Vorzugsweise wird als Energiespeicher ein Kondensator verwendet. Der obere Schwellwert und der untere Schwellwert sind dann Spannungsschwellwerte der am Kondensator abfallenden Spannung. Es ist jedoch auch möglich, als Energiespeicher eine Induktivität, insbesondere Spule, zu verwenden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Ermittlung des mittleren Stromverbrauches eines batteriebetriebenen elektronischen Gerätes und
  • Fig. 2 beispielsweise einen Ladeverlauf an dem Energiespeicher innerhalb der Messzeit.
  • Bei einem elektronischen Gerät 1, beispielsweise Mobiltelefon, soll der mittlere Stromverbrauch Iavg ermittelt werden. Das Gerät 1 beinhaltet zur Steuerung seiner Funktionen einen nicht dargestellten Mikrocontroller und/oder Signalprozessor. Die Stromaufnahme des Gerätes 1 schwankt entsprechend der unterschiedlichen, programmgesteuerten Betriebsabläufe erheblich und mehr oder weniger schnell. Beispielsweise schwankt die Stromaufnahme zwischen 2 mA und 2 A. Zur Stromversorgung des Gerätes ist als Energiequelle eine, insbesondere aufladbare, Batterie vorgesehen.
  • Zur Ermittlung des mittleren Stromverbrauches ist eine Schaltungsanordnung 2 vorgesehen, die in Fig. 1 in gepunkteten Linien dargestellt ist. Die Schaltungsanordnung 2 ist an eine Energiequelle 3 angeschlossen. Die Energiequelle 3 kann die für den Betrieb des Gerätes 1 vorgesehene Batterie oder ein äquivalentes Netzteil sein. Zwischen einen Anschlusspol 1' des Gerätes 1 und einen Anschlusspol 3' der Energiequelle 3 ist ein Schaltelement S der Schaltungsanordnung 2 in Reihe geschaltet. An den Anschlusspolen 1' und 1" des Gerätes 1 liegt parallel ein Kondensator C als Energiespeicher. Dessen Kapazität liegt beispielsweise in der Größenordnung von 5 mF bis 40 mF, insbesondere bei 7 mF bis 20 mF.
  • Die Schaltungsanordnung 2 weist einen Vergleicher 4 mit zwei Komparatoren 5, 6 auf, die an eine Logik 7 geschaltet sind. Am Komparator 5 liegt ein oberer einstellbarer Spannungsschwellwert Uso und die jeweils am Kondensator C anstehende Messspannung Um(t) an. Am Komparator 6 liegt ein unterer einstellbarer Spannungsschwellwert Usu und die jeweils am Kondensator C anstehende Messspannung Um(t) an. Die Logik 7 schaltet das Schaltelement S nichtleitend, wenn die Spannung Um(t) größer wird als Uso. Die Logik 7 schaltet das Schaltelement S leitend, wenn die Spannung Um(t) kleiner als der Spannungsschwellwert Usu wird. Die Spannungsschwellwerte liegen in einem Spannungsbereich, in dem das Gerät 1 noch arbeitet. Liegt die Betriebsspannung des Gerätes 1 beispielsweise bei 4,2 V bis 3,0 V, dann ist der obere Schwellwert beispielsweise auf 3,8 V und der untere Schwellwert auf 3,5 V gelegt.
  • Wenn das Schaltelement S leitend geschaltet ist, wird der Kondensator C aus der Energiequelle 3 aufgeladen und die Spannung Um(t) steigt schnell auf den Spannungsschwellwert Uso. Beim Erreichen des oberen Schwellwerts Uso öffnet das Schaltelement S, wonach sich der Kondensator C über das Gerät 1 bis zum Erreichen des unteren Spannungsschwellwerts Usu entlädt. Es wird im folgenden angenommen, dass die Aufladezeit des Kondensators C Null ist und dass die Entladung des Kondensators C zwischen den Spannungsschwellwerten Uso und Usu im wesentlichen linear verläuft (vgl. Fig. 2).
  • In der Entladephase arbeitet das Gerät 1 mit einem dem jeweiligen Betriebszustand entsprechenden Stromverbrauch. Die Entladezeit des Kondensators C hängt von der Stromaufnahme im jeweiligen Betriebszustand ab. Wenn der untere Spannungsschwellwert Usu erreicht ist, wird das Schaltelement S wieder leitend geschaltet, so dass sich der Kondensator C wieder auflädt. Die Auflade-/Entladevorgänge wiederholen sich. Im Spannungsdiagramm der Fig. 2 sind mehrere solcher Ladevorgänge gezeigt, die aufgrund unterschiedlicher Betriebsphasen bzw. Stromaufnahmen des Gerätes jeweils unterschiedliche Entladezeiten t1, t2, t3, t4 . . . tN haben.
  • Um die Anzahl N der in einer festgelegten Messzeit T auftretenden Ladevorgänge zu zählen, weist die Schaltungsanordnung 2 einen Zähler 8 mit einem Taktgeber 9 auf. Der Zähler 8 reagiert auf das Einschalten und/oder Ausschalten des Schaltelements S. Die Messzeit T ist so festgelegt, dass in ihr die typischen Betriebszustände des Gerätes 1 auftreten. Es hat sich gezeigt, dass bei einem üblichen Mobiltelefon eine Messzeit T von 1 s bis 60 s, insbesondere 5 s bis 30 s, geeignet ist. Die Messzeit T kann jedoch auch entsprechend des wahrscheinlichen Auftretens der Betriebsvorgänge unterschiedlicher Stromaufnahmen anders gewählt werden.
  • Eine Recheneinheit 10 der Schaltungsanordnung 2 ermittelt aus der gezählten Anzahl N der in der Messzeit T auftretenden Schaltvorgänge bzw. Entladevorgänge und der festgelegten Messzeit T sowie den festgelegten oberen und unteren Spannungsschwellwerten Uso, Usu und der bekannten Kapazität des Kondensators C den mittleren Stromverbrauch. Dabei ist der Strom In in jedem der Zeitintervalle t1, t2, t3, t4 . . . tN:

    In = C × Ud/tn,

    wobei
    In der mittlere Strom des jeweiligen Entladevorgangs,
    C die Kapazität des Kondensators C,
    Ud die Spannungsdifferenz zwischen dem oberen Spannungsschwellwert Uso und dem unteren Spannungsschwellwert Usu
    und
    tn die Zeitdauer des jeweiligen Entladevorgangs
    ist.
  • Der mittlere Strom Iavg über die komplette Messzeit T wird von der Recheneinheit 10 errechnet aus


    daraus folgt:

    Iavg = (N × C × Ud)/T.

  • Aus dem mittleren Strom Iavg lässt sich dann die zu erwartende Batterielaufzeit durch Division der Kapazität der Batterie durch den mittleren Strom Iavg errechnen.
  • Günstig ist, dass zur Bestimmung des mittleren Stroms Iavg nur eine Größe, nämlich die Anzahl N der Entladevorgänge in der Messzeit T ermittelt werden muss, wenn die Messzeit T, die Kondensatorkapazität C und die Differenz zwischen den Spannungsschwellwerten Usu und Uso konstant gehalten wird. Es kann damit der mittlere Strom auch bei zeitlich und in der Amplitude stark veränderlichen Stromaufnahmen ziemlich (im Versuchsaufbau < 5% Abweichung zum real fließenden Strom) genau erfasst werden. Da Messwiderstände nicht erforderlich sind, treten auch keine Probleme mit am Gerät sinkenden Spannungen bei hohen Lastströmen auf.
  • Die beschriebene Schaltungsanordnung kann mit den Komponenten 4 und C in einem analogen Schaltungsaufbau und mit den Komponenten 8, 9, 10 in einem diskreten Aufbau mit digitaler Logik, mit programmierbarer Logik, beispielsweise FPGA's (field programable gate arrys), Mikrocontrollern oder einem angeschlossenem Computer mit Möglichkeiten zur Analogwertverarbeitung, realisiert werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung des mittleren Stromverbrauches eines mittels einer Energiequelle, insbesondere Batterie oder Akku, betreibbaren elektronischen Gerätes, insbesondere eines von einem Mikrocontroller und/oder Signalprozessor gesteuerten Gerätes, dadurch gekennzeichnet,
dass während eines typischen Betriebsablaufs im Gerät (1) innerhalb einer festgelegten Messzeit (T) ein zwischen die Energiequelle (3) und das Gerät (1) geschalteter Energiespeicher (C) zwischen einem festgelegten oberen Schwellwert (Uso) und einem festgelegten unteren Schwellwert (Usu) mehrmals aufgeladen und entladen wird,
wobei sich der Energiespeicher (C) über das Gerät (1) infolge dessen jeweiligen Stromverbrauches auf den unteren Schwellwert entlädt,
dass die Anzahl (N) der in der Messzeit (T) auftretenden Auflade- und/oder Entladevorgänge gezählt wird und
dass aus der gezählten Anzahl (N) der Aufladevorgänge und/oder Entladevorgänge sowie der festgelegten Messzeit (T) und der Größe des Energiespeichers (C) und dem festgelegten oberen Schwellwert (Uso) und dem festgelegten unteren Schwellwert (Usu) der mittlere Stromverbrauch (Iavg) errechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzeit (T) derart festgelegt wird, dass in ihr die typischen Betriebszustände des Gerätes (1) auftreten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Schwellwert (Uso) und der untere Schwellwert (Usu) derart festgelegt werden, dass sie in demjenigen Bereich liegen, in dem die Energiequelle (3) geeignet ist, das Gerät (1) zu betreiben.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher ein Kondensator (C) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeiten so gewählt werden, dass sie sehr kurz im Vergleich zu den auftretenden Entladezeiten (t1, t2 . . . tN) sind.
6. Schaltungsanordnung zur Ermittlung des mittleren Stromverbrauchs eines mittels einer Batterie betriebenen elektronischen Geräts, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen eine Energiequelle (3) und das Gerät (1) ein Schaltelement (S) gelegt ist und
dass ein über das Schaltelement (S) aus der Energiequelle (3) ladbarer Energiespeicher (C) vorgesehen ist, der über das Gerät (1) entladbar ist,
dass ein Vergleicher (4) den Ladezustand des Energiespeichers (C) erfasst, wobei der Vergleicher (4) beim Überschreiten des vorgegebenen oberen Schwellwertes (Uso) das Schaltelement (S) nichtleitend schaltet und beim Unterschreiten des unteren Schwellwertes (Usu) das Schaltelement (S) leitend schaltet, wobei sich der Energiespeicher (C) im leitenden Zustand des Schaltelements (S) lädt und sich im nichtleitenden Zustand des Schaltelements (S) über das Gerät (1) entsprechend dessen jeweiliger Stromaufnahme entlädt,
dass ein Zähler (8) vorgesehen ist, der die Anzahl (N) der innerhalb der vorgegebenen Messzeit (T) auftretenden Ladevorgänge und/oder Entladevorgänge zählt,
und dass eine Recheneinheit (10) vorgesehen ist, die aus der Anzahl (N), der Messzeit (T) und der bestimmten Größe des Energiespeichers (C) sowie dem oberen Schwellwert (Uso) und dem unteren Schwellwert (Usu) den mittleren Stromverbrauch errechnet.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher ein Kondensator ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators etwa 5 mF bis 40 mF, insbesondere 7 mE bis 20 mF, beträgt.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Messzeit (T) 1 s bis 45 s, insbesondere 5 s bis 30 s, beträgt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kapazität des Kondensators (C) so bemessen ist, dass während der Messzeit (T) bei einem typischen Betriebsablauf eine Vielzahl von Ladevorgängen und Entladevorgängen, insbesondere etwa 100 bis 1000 Entladevorgänge, erfolgen.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Schwellwert zwischen etwa 4,2 V und 3,6 V, insbesondere bei 3,8 V, liegt, und dass der untere Schwellwert etwa zwischen 3,5 V und 3,0 V, insbesondere bei 3,5 V, liegt.
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